鄧昀+程小輝

摘要：以RFID技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計室內(nèi)無線定位實驗教學(xué)系統(tǒng)，其由有源RFID固定標(biāo)簽、有源RFID移動標(biāo)簽、有源RFID讀寫器、定位服務(wù)器4部分組成。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計，對系統(tǒng)的實驗功能需求進(jìn)行了分析，提出了基于該實驗系統(tǒng)的實驗教學(xué)內(nèi)容，其包含設(shè)計型和綜合型實驗，并探討了該系統(tǒng)在科研方向的應(yīng)用。該實驗系統(tǒng)對培養(yǎng)RFID領(lǐng)域的研究設(shè)計型人才具有重要作用。

關(guān)鍵詞：RFID；室內(nèi)無線定位；實驗教學(xué)系統(tǒng)；RSSI；三角形加權(quán)質(zhì)心算法

DOIDOI：10.11907/rjdk.171765

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0045-05

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是繼現(xiàn)代計算機、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一次重大機遇，它可以實現(xiàn)人與人、人與物、物與物的緊密聯(lián)系和相互交流。因此，作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)根本要素的人才培養(yǎng)尤為重要。高校實驗教學(xué)是高等教育的一個重要組成部分，其質(zhì)量高低直接影響著教學(xué)與科研質(zhì)量[1]。

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)概念中的重要一員，其技術(shù)已經(jīng)在室內(nèi)定位、車輛識別、門禁安全、物流、產(chǎn)品防偽等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。室內(nèi)定位能在室內(nèi)環(huán)境下為指定對象和用戶提供有效的跟蹤、定位和導(dǎo)航服務(wù)，停車場、商場、火車站等場所對定位和導(dǎo)引的需求日趨強烈。此外，精準(zhǔn)營銷、智能制造、智能物流等行業(yè)也需要計算機系統(tǒng)能夠?qū)崟r計算、識別特定對象的位置。這些需求為室內(nèi)定位系統(tǒng)（ Indoor Localization System，ILS）提供了巨大的機會。與其它室內(nèi)定位技術(shù)相比，如視頻分析、超聲波、紅外技術(shù)等，RFID無線射頻室內(nèi)定位技術(shù)具有覆蓋區(qū)域廣、定位精度高、成本低等特點。

本文結(jié)合室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用需求，以及物聯(lián)網(wǎng)人才的培養(yǎng)需求，設(shè)計了基于有源RFID技術(shù)的室內(nèi)無線定位實驗教學(xué)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)由有源RFID固定標(biāo)簽、有源RFID移動標(biāo)簽、有源RFID讀寫器、定位服務(wù)器4部分組成。RFID固定標(biāo)簽定期發(fā)射-18dBm、-12dBm、-6dBm和0dBm的射頻功率信號值；RFID移動標(biāo)簽周期性地接收固定標(biāo)簽發(fā)送的射頻功率信號值，并封裝成數(shù)據(jù)幀發(fā)送給有源RFID讀寫器；RFID讀寫器通過RS-232串口將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給定位服務(wù)器；定位服務(wù)器采用基于RSSI定位方法的三角形加權(quán)質(zhì)心算法進(jìn)行定位計算，實時顯示移動標(biāo)簽的位置坐標(biāo)信息。

系統(tǒng)主要包含3方面設(shè)計：①定位算法設(shè)計，基于RSSI定位方法的三角形加權(quán)質(zhì)心算法計算移動標(biāo)簽的位置坐標(biāo)；②定位跟蹤模塊硬件設(shè)計，包括固定標(biāo)簽、移動標(biāo)簽、讀寫器的硬件設(shè)計；③定位模塊程序設(shè)計，包括固定標(biāo)簽、移動標(biāo)簽、讀寫器的程序設(shè)計，以及實時定位、歷史數(shù)據(jù)顯示、軌跡回放功能模塊的程序設(shè)計。定位系統(tǒng)流程如圖1所示。

（1）固定標(biāo)簽、移動標(biāo)簽、讀寫器部署：在應(yīng)用場景中，按一定坐標(biāo)位置、一定距離部署好固定標(biāo)簽，使固定標(biāo)簽信號能覆蓋應(yīng)用場景，然后將讀寫器通過RS-232串口與定位服務(wù)器連接。移動標(biāo)簽在應(yīng)用場景中進(jìn)行移動。

（2）設(shè)備初始化：打開有源RFID移動標(biāo)簽與有源RFID固定標(biāo)簽、有源讀寫器的電源，分別進(jìn)行I/O、RF、RTC2初始化。

（3）發(fā)送功率：固定標(biāo)簽進(jìn)行初始化之后，定期發(fā)射-18dBm、-12dBm、-6dBm和0dBm的功率射頻信號功率值。

（4）接收功率：移動標(biāo)簽按照設(shè)定的時間周期輪詢接收各個固定標(biāo)簽發(fā)送的射頻信號功率值，并將其封裝成數(shù)據(jù)幀后發(fā)送給讀寫器。

（5）讀寫器：讀寫器接收移動標(biāo)簽發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀，通過RS-232串口與定位服務(wù)器通信，將數(shù)據(jù)幀傳輸給定位服務(wù)器。

（6）定位服務(wù)器：接收讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀并進(jìn)行解析，然后采用基于RSSI定位方法的三角形加權(quán)質(zhì)心算法計算移動標(biāo)簽的坐標(biāo)位置，完成實時定位、歷史數(shù)據(jù)顯示、軌跡回放3大功能。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

2.1 定位算法設(shè)計

三角形加權(quán)質(zhì)心算法的中心思想是：移動標(biāo)簽節(jié)點和所有參與定位的固定標(biāo)簽節(jié)點的坐標(biāo)信息點圍成幾何多邊形，計算多邊形的質(zhì)心坐標(biāo)作為自己的估計位置。其具體計算流程為：固定標(biāo)簽節(jié)點向移動標(biāo)簽節(jié)點周期性地發(fā)射射頻信號功率值，根據(jù)RSSI定位方法計算出移動標(biāo)簽與固定標(biāo)簽的距離，并且記錄發(fā)射射頻信號功率值的固定標(biāo)簽ID和位置坐標(biāo)。當(dāng)移動標(biāo)簽節(jié)點在接收到固定標(biāo)簽發(fā)送過來的射頻信號功率值的數(shù)量超過移動標(biāo)簽設(shè)置的門限參數(shù)值后，認(rèn)為該移動標(biāo)簽節(jié)點與發(fā)射信號功率值的固定標(biāo)簽節(jié)點兩者之間處于連通狀態(tài)，移動標(biāo)簽節(jié)點將自身坐標(biāo)信息點和處于連接狀態(tài)的固定標(biāo)簽節(jié)點的坐標(biāo)信息點圍成多邊形，再將多邊形分割為n個三角形，計算每個固定標(biāo)簽的權(quán)值（通過權(quán)值來體現(xiàn)固定標(biāo)簽節(jié)點對質(zhì)心位置決定權(quán)的大?。詈笄蟪鰊個三角形的質(zhì)心坐標(biāo)信息點M1（X1，Y1），M2（X2，Y2），M3（X3，Y3）…Mn（Xn，Yn），并計算所有坐標(biāo)信息的平均值，作為移動標(biāo)簽節(jié)點的坐標(biāo)M（X，Y）。其具體實現(xiàn)步驟如下：

2.2 定位模塊硬件設(shè)計

定位模塊硬件主要分為兩部分：一是讀寫器，二是標(biāo)簽。標(biāo)簽具體可分為固定標(biāo)簽和移動標(biāo)簽。讀寫器的硬件由MCU（微控制器）、串口電路、射頻收發(fā)模塊、天線和電源5部分構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在讀寫器的硬件結(jié)構(gòu)中，射頻收發(fā)模塊連接天線后接收移動標(biāo)簽傳輸過來的射頻信號功率值，接口電路對功率值進(jìn)行放大、濾波等處理，再由SPI接口發(fā)送給MUC進(jìn)行解碼、糾錯等處理，最后將功率值通過串口發(fā)送給定位服務(wù)器。

移動標(biāo)簽和固定標(biāo)簽由電源供電模塊、射頻收發(fā)模塊和微控制器模塊3部分構(gòu)成，標(biāo)簽硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

微控制器MCU是移動標(biāo)簽、固定標(biāo)簽的核心部分，它控制讀寫器與標(biāo)簽之間的通信協(xié)議，射頻收發(fā)模塊主要完成功率值的接收與發(fā)送，有源RFID固定標(biāo)簽通過射頻收發(fā)模塊發(fā)射射頻功率信號值，并形成一定區(qū)域的磁場圈，有源RFID移動標(biāo)簽通過射頻收發(fā)模塊接收固定標(biāo)簽發(fā)送的功率值，并發(fā)送給讀寫器。

2.3 定位模塊軟件設(shè)計

2.3.1 下位機軟件設(shè)計

下位機軟件設(shè)計包括固定標(biāo)簽、移動標(biāo)簽和讀寫器的程序設(shè)計。移動標(biāo)簽主要完成與固定標(biāo)簽之間的相關(guān)通信，其周期性地接收固定標(biāo)簽發(fā)射的射頻信號功率值，并形成數(shù)據(jù)幀發(fā)送給讀寫器。讀寫器接收數(shù)據(jù)幀后發(fā)送給定位服務(wù)器，定位服務(wù)器對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行讀取、解析，采用基于RSSI定位方法的三角形質(zhì)心加權(quán)算法計算位置坐標(biāo)完成定位。固定標(biāo)簽、移動標(biāo)簽、讀寫器三者間的通信流程如6所示。

數(shù)據(jù)傳輸是定位模塊的關(guān)鍵部分，數(shù)據(jù)幀格式的設(shè)計對患者跟蹤定位模塊獲取正確數(shù)據(jù)進(jìn)行定位起到關(guān)鍵性作用。數(shù)據(jù)幀由幀頭、移動標(biāo)簽ID、固定標(biāo)簽ID、對應(yīng)的固定標(biāo)簽發(fā)射功率值組成，數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計如表1所示。

（1）有源RFID固定標(biāo)簽程序設(shè)計。有源RFID固定標(biāo)簽程序設(shè)計主要包括參數(shù)設(shè)置、初始化、發(fā)送射頻信號功率值3部分。參數(shù)設(shè)置包含數(shù)據(jù)發(fā)送地址、數(shù)據(jù)包長度、發(fā)送地址長度等設(shè)置，初始化主要包括：I/O、RF、RTC2等初始化。

（3）讀寫器程序設(shè)計。讀寫器主要接收移動標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并通過串口發(fā)送給定位服務(wù)器。有源RFID讀寫器程序設(shè)計主要包括參數(shù)設(shè)置、初始化、存儲數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置包含接收地址、數(shù)據(jù)包長度、NVN存儲區(qū)域等設(shè)置，初始化主要包括：I/O、RF、RTC2初始化。

2.3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件使用C#編寫，主要包括3個功能：①實時位置坐標(biāo)顯示（移動標(biāo)簽坐標(biāo)）；②歷史數(shù)據(jù)顯示，可以判斷移動標(biāo)簽近段時間內(nèi)的活動場所；③軌跡回放圖，將移動標(biāo)簽活動的位置信息繪制出來，從軌跡圖中可以直觀了解移動標(biāo)簽的活動區(qū)域。上位機軟件流程如圖8所示。

（1）定位服務(wù)器接收讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，判斷數(shù)據(jù)幀的幀頭是否是‘H1，然后判斷數(shù)據(jù)幀的有效長度。

（2）采用基于RSSI定位方法的三角形加權(quán)質(zhì)心算法計算移動標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。根據(jù)RSSI定位方法，首先將接收到的射頻信號功率值轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)信息點。所有的坐標(biāo)信息點可以組成一個不規(guī)則的n邊形，將多邊形分割為n個三角形，然后再根據(jù)三角形加權(quán)質(zhì)心算法計算出移動標(biāo)簽的坐標(biāo)位置。

（3）得到位置坐標(biāo)信息后，在上位機軟件添加地圖，設(shè)置好地圖背景，完成創(chuàng)建畫筆對象和設(shè)置畫筆屬性一系列操作后，將移動標(biāo)簽的位置坐標(biāo)信息繪制在地圖上，實現(xiàn)定位功能。

（4）創(chuàng)建一個集合對象，將繪制在地圖界面上的坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)存儲在集合中。對集合進(jìn)行遍歷，獲取所有的坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)，重復(fù)第4步操作，將所有的坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)繪制在地圖上，然后用創(chuàng)建好的畫筆對象將坐標(biāo)信息點之間相連，得到患者的軌跡圖，實現(xiàn)軌跡回放功能。

（5）將讀寫器傳輸過來的移動標(biāo)簽號ID、對應(yīng)發(fā)送的固定標(biāo)簽ID及其發(fā)送的射頻信號功率值、三角形加權(quán)質(zhì)心算法計算出的坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)要獲取歷史數(shù)據(jù)，可以根據(jù)存儲的定位信息來完成歷史數(shù)據(jù)的顯示功能。

3 實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

結(jié)合有源RFID技術(shù)的功能、開發(fā)技術(shù)，以及室內(nèi)無線定位系統(tǒng)的具體功能，設(shè)計了實驗教學(xué)內(nèi)容，其主要包括設(shè)計型實驗和綜合型實驗。設(shè)計型實驗的主要教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握C#語言編程，以及有源RFID的基本操作功能；綜合型實驗的主要教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握室內(nèi)無線定位系統(tǒng)下位機、上位機相關(guān)功能的程序設(shè)計，以及有源RFID技術(shù)的綜合應(yīng)用。主要實驗教學(xué)內(nèi)容如表2所示。

目前，基于指紋技術(shù)、模式識別、機器學(xué)習(xí)的無線網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位技術(shù)正在進(jìn)行大量研究，因此該實驗教學(xué)系統(tǒng)還可作為科研平

臺使用。

4 結(jié)語

本文以RFID技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計室內(nèi)無線定位實驗教學(xué)系統(tǒng)，對系統(tǒng)的實驗功能需求進(jìn)行了分析，設(shè)計了基于該實驗系統(tǒng)的實驗教學(xué)內(nèi)容，并探討了該系統(tǒng)在科研方向的應(yīng)用。該實驗系統(tǒng)對培養(yǎng)RFID領(lǐng)域的研究設(shè)計型人才具有重要作用。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?/p>

英文摘要Abstract：Based on RFID technology，the indoor wireless positioning experiment teaching system is designed.The system consists of four parts including active RFID fixed tags，active RFID mobile tags，active RFID reader，positioning server.The fixed label of RFID regularly transmits the radio frequency power signal value of the -18dBm，-12dBm，-6dBm and 0dBm.The RFID mobile tag periodically receives the RF power signal value sent from the fixed tag and encapsulates the data frame into the active RFID reader.The RFID reader sends the data frame to the location server via the RS-232 serial port.The positioning server adopts the triangular weighted centroid algorithm based on the RSSI localization method to locate the position and display the position coordinate information of the moving tag in real time.In view of the system design，the experimental function of the system is analyzed，and the experimental teaching content，which involves both design experiment and integrated experiment，is proposed according to this experimental system.Furthermore the application of the system in scientific research is discussed.The experimental system plays an important role in the cultivation of research design talents in the field of RFID.

英文關(guān)鍵詞Key Words：RFID； Indoor Wireless Location； Experimental Teaching System； RSSI； Triangle Weighted Centroid Algorithm